VR/AR/MR技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用文獻(xiàn)綜述

胥正憲

摘要：傳統(tǒng)教育往往采用粉筆黑板以及使用投影儀等方式，存在著較多弊端，本文探討了一種新的教育方案，將 AR 與 VR 技術(shù)應(yīng)用于教育中。考慮到處理能力等多種因素，AR 與 VR 技術(shù)的發(fā)展目前主要借助 PC 機(jī)。但是隨著移動(dòng)終端處理能力的快速發(fā)展，如何將 AR 與 VR 技術(shù)應(yīng)用于用戶(hù)量龐大的移動(dòng)終端。本文對(duì)VR/AR/MR技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了文獻(xiàn)研究，并做了一些探討。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；虛擬現(xiàn)實(shí)；教育

隨著技術(shù)的發(fā)展，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality簡(jiǎn)稱(chēng) AR）與虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality 簡(jiǎn)稱(chēng) VR）被越來(lái)越多的人好看，它們?cè)谧罱鼛啄戢@得了較大的發(fā)展。在 2015年的一份投資報(bào)告中指出 AR 與VR 是未來(lái)又一個(gè)具有前景的技術(shù)[1-2]。目前 HTC、Facebook、Samsung、Apple、Alphabet 等科技公司都展開(kāi)了相關(guān)研究與開(kāi)發(fā)[3-6]。

在教育領(lǐng)域，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的黑板教學(xué)漸漸的被豐富多彩的多媒體教學(xué)所取代。多媒體教學(xué)所帶來(lái)的巨大便利，受到了老師和學(xué)生的一致好評(píng)，但是也逐漸暴露出多媒體演示不夠形象具體、沒(méi)有沉浸感、缺乏互動(dòng)體驗(yàn)、無(wú)法進(jìn)行自主學(xué)習(xí)等缺點(diǎn)。而近幾年興起的 AR 與 VR 技術(shù)可以有效彌補(bǔ)上述缺點(diǎn)，本課題著力于將 AR 與 VR 技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域，從而使學(xué)生獲得更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

1、核心概念及要素

（1）、VR，Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實(shí)：是一種通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬真實(shí)感的圖像，聲音和其他感覺(jué)，從而復(fù)制出一個(gè)真實(shí)或者假想的場(chǎng)景，并且讓人覺(jué)得身處這個(gè)場(chǎng)景之中，還能夠與這個(gè)場(chǎng)景發(fā)生交互。

VR要素：沉浸感，一種讓人身處虛擬場(chǎng)景內(nèi)的感覺(jué)，依靠遮擋真實(shí)場(chǎng)景的光線，提供盡可能大的視角，具有真實(shí)感的畫(huà)面，三維，立體甚至光場(chǎng)的視覺(jué)，環(huán)繞聲場(chǎng)和其他感官的刺激實(shí)現(xiàn)。

交互性，用戶(hù)可以和虛擬場(chǎng)景中的內(nèi)容發(fā)生實(shí)時(shí)交互，對(duì)用戶(hù)行為具有真實(shí)感的響應(yīng)，可以有視覺(jué)上，力覺(jué)上，聽(tīng)覺(jué)上和其他感官上的回饋，依靠傳感器，軟件運(yùn)算，執(zhí)行機(jī)構(gòu)等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

假想性，可以根據(jù)設(shè)計(jì)者的想象設(shè)計(jì)出各種各樣的虛擬場(chǎng)景，內(nèi)容來(lái)源于現(xiàn)實(shí)而高于現(xiàn)實(shí)，可以在一定程度上違反物理定律，超現(xiàn)實(shí)的虛擬場(chǎng)景，依靠人為想象，軟件設(shè)計(jì)，特效等途徑實(shí)現(xiàn)。

2、AR，Augmented Reality，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)：是一種直接或間接地觀察真實(shí)場(chǎng)景，但其內(nèi)容通過(guò)計(jì)算機(jī)生成的組成部分被增強(qiáng)，計(jì)算機(jī)生成的組成部分包括圖像，聲音，視頻或其他類(lèi)型的信息。

AR要素：現(xiàn)場(chǎng)感，通過(guò)直接（鏡片透視）或間接（攝像頭拍攝，實(shí)時(shí)播放）觀察真實(shí)世界，處于什么現(xiàn)場(chǎng)就顯示什么現(xiàn)場(chǎng)。

增強(qiáng)性，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)顯示的內(nèi)容增加額外信息，包括圖像、聲音、視頻或其他信息。

相關(guān)性，計(jì)算機(jī)必須對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行認(rèn)知，增加的內(nèi)容和現(xiàn)場(chǎng)具有相關(guān)性，包括位置相關(guān)，內(nèi)容相關(guān)，時(shí)間相關(guān)等等。

3、MR，Mixed Reality，混合現(xiàn)實(shí)：一種將真實(shí)場(chǎng)景和虛擬場(chǎng)景非常自然地融合在一起，它們之間可以發(fā)生具有真實(shí)感地實(shí)時(shí)交互，讓人們難以區(qū)分哪部分是真實(shí)的，哪部分是虛擬的。

MR要素：現(xiàn)場(chǎng)感，真實(shí)場(chǎng)景和來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)鏡片透視或攝像頭方式取得，和AR一致。

混合性，真實(shí)場(chǎng)景和虛擬場(chǎng)景自然地合在一起，發(fā)生真實(shí)感地交互，包括遮擋，碰撞等。

逼真性，虛擬場(chǎng)景的顯示效果接近真實(shí)場(chǎng)景，不容易辨別。

二、國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)及水平

目前 AR 與 VR 技術(shù)發(fā)展正處在方興未艾的階段，很多 AR 與 VR 項(xiàng)目都在積極研究中。例如Google 推出了 VR 解決方案 Cardboard、Microsoft Holo Lens 全息眼鏡由Microsoft 公司于北京時(shí)間 2015年1月22 日凌晨與 Window10 同時(shí)發(fā)布、Apple 收購(gòu)了 AR 開(kāi)發(fā)解決方案 Metaio 用以發(fā)展自己的 AR 技術(shù)、Intel 收購(gòu)了 AR 頭戴式顯示器制造商 Recon、Sony 推出了 Play Station VR 頭盔、Facebook 也推出了自己的 Oculus Rift VR 頭盔、HTC 也于今年推出了自己的 VIVE VR 頭盔、Samsung推出了 Gear VR設(shè)備。在國(guó)內(nèi)也有很多廠商也積極研究 AR 與 VR 技術(shù)，例如 Tencent 有計(jì)劃推出自己的 VR 頭盔。

90年代以前，AR的概念還比較模糊；90年代是AR技術(shù)迅速發(fā)展的10年。比較有名的研究機(jī)構(gòu)有：美國(guó)麻省理工大學(xué)的圖像導(dǎo)航外科手術(shù)室；哥倫比亞大學(xué)的圖形和用戶(hù)交互實(shí)驗(yàn)室；日本的混合現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室；德國(guó)的Arvika組織；新加坡的混合現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室。此外，用于快速開(kāi)發(fā)的開(kāi)源軟件工具ARToolkit也由華盛頓大學(xué)的圖形實(shí)驗(yàn)室成功開(kāi)發(fā)并維護(hù)至今。

原有的研究領(lǐng)域拓展到多個(gè)新的領(lǐng)域，如城市規(guī)劃、娛樂(lè)教育、工業(yè)仿真、文化遺產(chǎn)保護(hù)等AR系統(tǒng)由簡(jiǎn)單的桌面式擴(kuò)展到戶(hù)外可攜帶型、空間體驗(yàn)型顯示設(shè)備也從頭盔顯示器延伸到大型可觸摸式、桌面投射式和便攜式。

我國(guó)在AR領(lǐng)域的研究起步較晚，研究機(jī)構(gòu)主要集中在高校的科研單位：北京理工大學(xué)；北京航空航天大學(xué)；國(guó)防大學(xué)；浙江大學(xué)；上海大學(xué)；從國(guó)內(nèi)發(fā)表的論文來(lái)看，主要集中在系統(tǒng)應(yīng)用和配準(zhǔn)技術(shù)上，研究的問(wèn)題比較單一、涉及面比較窄另外，從專(zhuān)利申請(qǐng)的情況看，全球共有108個(gè)，這之中我國(guó)僅有北京理工大學(xué)的一個(gè)。

目前國(guó)內(nèi)AR的研究成果主要有：北京理工大學(xué)自主研制了視頻、光學(xué)穿透式兩類(lèi)頭盔顯示器；北京理工大學(xué)利用AR技術(shù)重建圓明園的實(shí)驗(yàn)也取得了重要進(jìn)展；上海大學(xué)快速制造工程中心與浙江大學(xué)合作開(kāi)發(fā)了AR場(chǎng)景光源的實(shí)時(shí)檢測(cè)和真實(shí)感繪制框架；此外，在城市規(guī)劃、地下管網(wǎng)、地理信息系統(tǒng)等領(lǐng)域也有相關(guān)的研究。

在教育領(lǐng)域，目前傳統(tǒng)教材所展現(xiàn)的信息都非常有限，如能結(jié)合 AR 與 VR 技術(shù)進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)，使之變?yōu)閼?yīng)用 AR 與 VR 技術(shù)的課本，將會(huì)給使用者新的使用體驗(yàn)，幫助使用者更好的、更全面的了解教材所提供的信息，對(duì)更加有效掌握知識(shí)非常有幫助。在這方面，國(guó)內(nèi)外有著很多研究，可為我們提供很好的借鑒。

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